SE461546B

SE461546B - HEAT TRANSMISSION DEVICE FOR DYNAMIC LATENT HEAT STORAGE

Info

Publication number: SE461546B
Application number: SE8605619A
Authority: SE
Inventors: A Guenther
Original assignee: Bauakademie Ddr
Priority date: 1985-12-31
Filing date: 1986-12-30
Publication date: 1990-02-26
Also published as: CH673889A5; HUT46141A; DE3642754A1; SU1657891A1; BG50799A1; JPS62182594A; SE8605619L; ATA332486A; AT388046B; HU199980B; DD256434A3; SE8605619D0

Description

.fix CN ...s (IW .llx separerar från varandra. .fixed CN ... s (IW .llx separates from each other.

I samtliga ovan nämnda uppfinningar i vilka svårkokande vätskor används är det väsentligt att värmetransportmedlet sätts i rörelse med hjälp av cirkulationspumpar. Enligt de övriga uppfinningarna försätts värmetransportmedlet i rörelse utan drivanordningar men då i stället på grund av kokningsprocesserna varför någon mekanisk rörelse inte är av avgörande vikt.In all the above-mentioned inventions in which hard-boiling liquids are used, it is essential to the heat transport means set in motion by means of circulation pumps. According to them the other inventions set the heat transport means in motion without drive devices but then instead due to the cooking processes why no mechanical movement is off crucial weight.

Lösningar enligt vilka cirkulationspumpar används beskrivs t.ex. i DE-OS 2 826.404, DE-OS 3.023.494 och DE-OS 2.916.514.Solutions according to which circulation pumps are used are described for example in DE-OS 2,826,404, DE-OS 3,023,494 and DE-OS 2,916,514.

Lösningar som arbetar med kokande och kondenserande värme- transportmedel och som inte utnyttjar några cirkulationspumpar beskrivs exempelvis i DE-WP 225.857 och i EP 0.079.452.Solutions that work with boiling and condensing heat means of transport and which do not use any circulation pumps is described, for example, in DE-WP 225,857 and in EP 0,079,452.

Båda lösningarna är behäftade med ett problem: I fast tillstånd är det fasväxlande materialet inte eller endast i ringa grad genomsläppligt för alla värmetransport- medel. På grund av denna ogenomsläpplighet är värmeintagspro~ cessen i det fasväxlande materialet antingen hämmad eller kraftigt hindrad. Det är därför inte möjligt att cirkulera högkokande vätskor eller också kan dessa cirkuleras endast med höga pumptryck. Cirkulering av lågkokande vätskor är möjlig endast inuti de i det fasväxlande materialet förekommande kapillärerna och sprickorna eller i sådana fasväxlande material där särskilda tillsatsmedel tillförts såsom kristallfyllníng, varvid cirkuleringen förekommer endast i kristallernas mellanrum. Den ånga som stiger upp i det fasväxlande materialet vid kokning och det kondensat som flyter tillbaka hindrar varandra ömsesidigt i de nämnda mellanrummen och tillåter därför inte någon hög verkningsgrad på värmeöverföringen.Both solutions have a problem: In the solid state, the phase-shifting material is not or only slightly permeable to all heat transport average. Due to this impermeability, heat intake pro ~ the process in the phase-shifting material is either inhibited or severely hindered. It is therefore not possible to circulate high-boiling liquids or these can only be circulated with high pump pressures. Circulation of low-boiling liquids is possible only inside those present in the phase-shifting material the capillaries and cracks or in such phase-shifting materials to which special additives have been added such as crystal filling, wherein the circulation occurs only in the spacing of the crystals. The steam that rises in it phase-changing material during boiling and the condensate which floating backs mutually hinder each other in the mentioned intervals and therefore does not allow a high efficiency on the heat transfer.

För lösning av detta problem förslås i DE-PS 3.010.625 för högkokande vätskor en s.k. smältningsledning, som sträcker sig lodrätt genom det fasväxlande materialet och med vilken den fasväxlande materialet smälts i kanaler. 461 546 Cirkuleringen av värmetransportmedlet i värmemagasinets inre sker genom denna kanal och kan därigenom förlöpa ohindrat.To solve this problem, DE-PS 3,010,625 is proposed for high-boiling liquids a so-called melting line, which extends vertically through the phase-changing material and with which it the phase-shifting material is melted in channels. 461 546 The circulation of the heat transport means in the interior of the heat magazine takes place through this channel and can thereby proceed unhindered.

Denna lösning representerar en förbättring enbart för högkokande vätskor.This solution represents an improvement only for high-boiling liquids.

Denna lösning kan inte överföras till lågkokande vätskor. För det första stiger de för värmeöverföringen erfordrade ångblå- sorna inuti kanalen utan att beröra det fasväxlande materialet i och för värmeavgivning och för det andra avgår ångblåsorna ovanför den upptill öppna kanalen och förblir därför inte kvar inuti värmemagasineringsmaterialet i och för värmeavgivning och efterföljande kondensation resp. förnyad förångning.This solution cannot be transferred to low-boiling liquids. For first, the steam blue required for the heat transfer rises inside the channel without touching the phase-changing material in and for heat dissipation and secondly the steam bubbles depart above the channel open at the top and therefore does not remain inside the heat storage material for heat dissipation and subsequent condensation resp. renewed evaporation.

En i praktiken utförbar lösning för lågkokande vätskor kunde innebära en förstoring av de värmeöverförande ytorna i värme- intagsområdet t.ex. med hjälp av flänsar och lameller som då skulle anordnas inuti det fasväxlande materialet. Dessa ytor innebär emellertid att mer material måste användas och hindrar dessutom koknings- och kondensationsprocesserna varför detta sätt att öka verkningsgraden i värmeöverföringen hitintills endast kommit till användning i statiska latentvärmemagasin, vilka inte fungerar utan dessa ytor.A practicable solution for low-boiling liquids could entail an enlargement of the heat-transferring surfaces in the the intake area e.g. using flanges and slats as then would be arranged inside the phase changing material. These surfaces means, however, that more materials must be used and hinders in addition, the boiling and condensation processes why this ways to increase the efficiency of heat transfer so far only used in static latent heating magazines, which do not work without these surfaces.

Föreliggande uppfinning syftar till att öka verkningsgraden vid värmeöverföring i dynamiska latentvärmemagasin, vilka utnyttjar kokande och kondenserande värmetransportmedel under värmeintagningen samtidigt som materialåtgången skall minskas och driftsäkerheten höjas.The present invention aims to increase efficiency in heat transfer in dynamic latent heat reservoirs, which uses boiling and condensing heat transport means below heat intake while reducing material consumption and operational reliability is increased.

Till grund för uppfinningen ligger den uppgiften att medelst konstruktiva element öka värmeintaget i det fasväxlande materialet i dynamiska latentvärmemagasin.The object of the invention is to provide, by means of constructive elements increase the heat intake in the phase change the material in dynamic latent heat magazines.

Enligt uppfinningen ernås det ovanstående syftet medelst en av rör bildad bur, som består av en övre liten ledning i form av en ring och en undre större ledning i form av en ring, vilka 461 546 4 övre och undre ringar är förbundna med varandra medelst ett antal strängledningar, vilka på (den tänkta) mantelytan av en stympad kon går från den undre till den övre ringen.According to the invention, the above object is achieved by means of one of tube formed cage, which consists of an upper small conduit in the form of a ring and a lower major lead in the form of a ring, which 461 546 4 upper and lower rings are connected to each other by one number of string wires, which on the (imaginary) mantle surface of a truncated cone goes from the lower to the upper ring.

Den konventionella delen av värmeöverföringsanordningen och av buren av rör kan vara kopplade antingen i serie med varandra eller parallellt med varandra.The conventional part of the heat transfer device and of the cage of tubes can be connected either in series with each other or in parallel with each other.

I det fall de nämnda enheterna är parallellkopplade matas en del av det från värmekällan kommande värmeavgivande mediet till den konventionella delen av värmeöverföringsanordningen över en fördelare till den undre ringen.In case the mentioned units are connected in parallel, one is fed part of the heat-emitting medium coming from the heat source to the conventional part of the heat transfer device over a distributor to the lower ring.

Från den sistnämnda ringen stiger det värmeavgivande mediet uppåt i strängledningarna och utmynnar i den övre ringen.I den övre ringen samlas det värmeavgivande mediet vilket via en returledning åter förenar sig med det från den konventionella delen av värmeöverföringsanordningen utgående flödet av värmeavgivande medium. Denna återförening sker i en samlings- anordning.From the latter ring rises the heat-emitting medium upwards in the string lines and opens into the upper ring.I the upper ring collects the heat-emitting medium which via a return line reunites with that of the conventional the part of the heat transfer device outgoing the flow of heat dissipating medium. This reunion takes place in a collective device.

Om buren av rör och den konventionella delen är seriekopplade med varandra går det värmeavgivande mediet först fullständigt genom buren och därefter till den konventionella delen av värmeöverföringsanordningen eller omvänt. För att anordna den enligt uppfinningen föreslagna värmeöverföringsanordningen inuti ett dynamiskt latentvärmemagasin måste värmeöverförings~ anordningens konventionella del vara i kontakt med värmetrans- portmedlet och buren av rör måste vara i kontakt med det fasväxlande materialet. Det är viktigt att de i(det tänkta) mantelrummet av buren förekommande strängledningarna lutar och att buren upptill inte sticker upp över det fasväxlande materialet.If the cage of pipes and the conventional part are connected in series with each other, the heat-emitting medium first goes completely through the cage and then to the conventional part of the heat transfer device or vice versa. To arrange it heat transfer device proposed according to the invention inside a dynamic latent heat magazine must heat transfer ~ the conventional part of the device be in contact with the heat transfer the port means and the cage of tubes must be in contact with it phase-shifting material. It is important that those in (the intended) the mantle space of the cage present the string lines are inclined and that the cage at the top does not protrude above the phase-shifting the material.

Tack vare de lutande strängledningarna och burens begränsade höjd säkerställs att de från den konventionella delen av värmeöverföringsanordningen uppåtstigande ångblåsorna kan stiga endast i snett lutande och upptill slutna kanaler.På w 461 546 detta sätt ernås att ångblåsorna inte stiger lodrätt uppåt utan att beröra det fasväxlande materialet och utan att åstadkomma värmeavgivning till det fasväxlande materialet. I stället är de uppåtstigande ångblåsorna i kontinuerlig beröring med det fasväxlande materialet och kan inte lämna detta utan att avge värme.Thanks to the sloping string lines and the cage's limited height is ensured that they from the conventional part of the heat transfer device ascending steam bubbles can rise only in obliquely inclined and closed channels.On w 461 546 this way it is achieved that the steam bubbles do not rise vertically upwards without touching the phase-changing material and without provide heat dissipation to the phase-shifting material. IN instead, the ascending vapor bubbles are in continuous contact with the phase-changing material and can not leave this without emitting heat.

Det på grund av värmeavgivningen uppstående kondensatet kommer på grund av kanalernas lutning att återföras till den värmeöverföranade anordningen på kanalernas undersida medan det samtidigt är i beröring med det fasväxlande materialet, varvid det i kondensatet förekommande värmet avges till det fasväxlande materialet, vilket föruppvärms. Detta är fördel- aktigt. På grund av de ovan nämnda förloppen ökar värmeintaget i det fasväxlande materialet avsevärt.The condensate that arises due to the heat dissipation comes due to the inclination of the channels to be returned to it heat transfer device on the underside of the ducts while it is at the same time in contact with the phase-changing material, wherein the heat present in the condensate is given to it phase-shifting material, which is preheated. This is advantageous like. Due to the above-mentioned processes, the heat intake increases in the phase-shifting material considerably.

Den effekt buren har beror således på den förbättrade kinetiken i värmeintaget och inte på en förstoring av värme- överföringsanordningens ytor. Det räcker således med endast ett fåtal rör för att åstadkomma en förbättring vilket i sin tur innebär att man kan unvika att materialåtgången ökar.The effect of the cage thus depends on the improved one kinetics in heat intake and not on an increase in heat the surfaces of the transfer device. Thus, only a few pipes to bring about an improvement which in its luck means that you can avoid the material consumption increasing.

Enligt uppfinningen är den av rör bestående, stympade koniska buren så utförd att 5-20% av värmeintaget tack vare buren förs in i det fasväxlande materialet och den stympade konens sidolinjer bildar en (inner~) vinkel i området från 50 till 850 med horisontalplanet.According to the invention, it consists of tubes, truncated conical the cage is designed so that 5-20% of the heat intake thanks to the cage is carried into the phase-shifting material and the truncated cone side lines form an (inner ~) angle in the range from 50 to 850 with the horizontal plane.

För det speciella fall när ett kylmedel används såsom värme- avgivande medium och då till följd av värmeavgivning konden- serar i buren kan den övre ringen bortfalla och strängledning- arna upptill vara tillslutna. I detta fall arbetar strängled- ningarna på samma sätt såsom värmerör som är fylld med köld- medel. Enligt en andra utföringsform av uppfinningen är de på (den tänkta) mantelytan av den stympade konen anordnade strängledningarna ersatta med rörslingor. Enligt uppfinningen är detta möjligt därigenom att den övre ringen är anordnad i det inre av (den tänkta) stympade konen tätt ovanför den undre ringen. Diametrarna för de båda av rör bildade ringarna v rs O\ 461 5 - a skiljer sig endast i liten grad från varandra.For the special case when a coolant is used as a heating emitting medium and then as a result of heat emission condensate cages in the cage, the upper ring may be lost and the be closed at the top. In this case, the stringing in the same way as heating pipes filled with cold average. According to a second embodiment of the invention, they are on (the imaginary) mantle surface of the mutilated cone arranged the string lines replaced with pipe loops. According to the invention this is possible in that the upper ring is arranged in the interior of the (imaginary) truncated cone close above the lower one the ring. The diameters of the two rings formed by tubes v rs O\ 461 5 - a differ only slightly from each other.

Enligt en tredje utföringsform av uppfinningen bildas den av rör bestående buren i form av en stympad kon genom att (den tänkta) mantelytan på den stympade konen bildas av en rörspiral. I detta fall är de båda ringarna överflödiga.According to a third embodiment of the invention, it is formed by touches the permanent cage in the form of a truncated cone by (the imagined) the mantle surface of the mutilated cone is formed by a pipe spiral. In this case, the two rings are superfluous.

Det är dessutom möjligt att gestalta den av rör bildade buren, som har formen av en stympad kon, så att den endast har en undre ring med i planet för konens mantelyta liggande, upptill förslutna rör.It is also possible to design the cage formed by pipes, which has the shape of a truncated cone, so that it has only one lower ring included in the plane of the cone's mantle surface lying, at the top closed pipes.

En utföringsform av uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till den bifogade ritningen, i vilken fig. l i sektionsvy visar den först nämnda utföringsformen av den av rör bestående buren i förening med en godtycklig, konventionell värmeöverföringsanordning.An embodiment of the invention will be described in more detail below in connection with the accompanying drawing, in which Fig. 1 in sectional view shows the first-mentioned embodiment of the tube cage in conjunction with an arbitrary, conventional heat transfer device.

Båda systemen bildar enligt uppfinningen en värmeöverförings- anordning för värmeintagning.According to the invention, both systems form a heat transfer system. device for heat intake.

För att förklara värmeöverförinqsanordningens funktionssätt visas dess användning i ett i sig känt dynamiskt latentvärme- magasin.To explain the operation of the heat transfer device its use in a per se known dynamic latent heating is shown. magazine.

Värmemagasinet består av en trycksäker och tät mantel 3, i vilken de följande elementen ingår, nämligen den enligt upp- finningen förslagna värmeöverföringsanordningen med sin konventionella del 4 och en bur av rör vilken består av en undre ringformad ledning 9, en övre ringformad ledning 10 strängledningar 7, en fördelare för det värmeavgivande mediet 14, en samlingsanordning för det värmeavgivande mediet 15 och en returledning 6 samt en värmeöverföringsanordning 5 för värmeavgivning.The heating magazine consists of a pressure-proof and tight jacket 3, i which includes the following elements, namely that according to the proposed heat transfer device with its conventional part 4 and a cage of tubes which consists of a lower annular conduit 9, an upper annular conduit 10 string lines 7, a distributor for the heat dissipating medium 14, a collection device for the heat dissipating medium 15 and a return line 6 and a heat transfer device 5 for heat dissipation.

Den konventionella delen i värmeöverföringsanordningen 4 och möjligtvis även den undre ringformade ledningen 9 befinner sig ﬂ HI - 7 i ett värmeintagningsområde l som är fyllt med värmetransport- medlet. Över värmetransportmedlet finns (till följd av en avsiktlig densitetsskillnad) ett fasväxlande material 2, som omsluter den av rör bildade buren. Ovanför det fasväxlande materialet ansluter ett värmeavgivningsområde 13, som endast är fyllt med ångan från värmetransportmedlet. Strömningsvägen för det värmeavgivande medlet ll och strömningsvägen för det värmeupp- tagande mediet 12 visas med pilar. När det gäller värmeintaget genomströmmas såväl den konventionella delen av värmeöverfö- ringsanordningen som även buren av det värmeavgivande mediet, som har en temperatur, vilken ligger över smälttemperaturen för det fasväxlande materialet.The conventional part of the heat transfer device 4 and possibly also the lower annular conduit 9 is located ﬂ HI - 7 in a heat intake area 1 which is filled with heat transport medlet. Above the heat transport means is available (as a result of a deliberate density difference) a phase-changing material 2, which encloses the cage formed by tubes. Above the phase-shifting material connects a heat dissipation area 13, which is only filled with the steam from the heat transport medium. The flow path for that the heat dissipating means II and the flow path of the heat source taking medium 12 is indicated by arrows. When it comes to heat intake both the conventional part of the heat transfer the carrying device which is also carried by the heat-emitting medium, which has a temperature which is above the melting temperature for the phase-shifting material.

På grund av de båda systemens genomströmning förlöper två förlopp samtidigt. Å ena sidan sker en uppsmältning av det fasväxlande materialet utmed strängledningar 7 på buren i och för bildning av kanaler 8 och å andra sidan förångar värme- transportmedlet i värmeintagsområdet l på ytan av den konven- tionella delen av värmeöverföringsanordningen 4. De därvid uppstående ångblåsorna stiger uppåt i kanaler varvid de till följd av kanalernas lutning är i ständig beröring med fasväxlande material som ännu inte smält. Blåsorna kan inte stiga uppåt utan att åstadkomma en sådan beröring. Enligt det valda magasineringssystemets funktionsmekanism sker förångningen vid en temperatur som ligger över smälttempera- turen för det fasväxlande materialet vilket innebär att ång- blåsorna har en temperatur som är högre än smälttemperaturen.Due to the throughput of both systems, two run process simultaneously. On the one hand, it melts phase-shifting material along string lines 7 on the cage in and for the formation of channels 8 and on the other hand evaporates heat the means of transport in the heat intake area 1 on the surface of the conventional tional part of the heat transfer device 4. They thereby the rising steam bubbles rise upwards in channels whereby they to due to the inclination of the channels is in constant contact with phase-shifting material that has not yet melted. The blisters can not rise upwards without causing such a touch. According to that the operating mechanism of the selected storage system occurs evaporation at a temperature above the melting temperature the phase-change material, which means that the the blisters have a temperature that is higher than the melting temperature.

Till följd av ångblåsornas beröring med det fasta fasväxlande materialet 2, vars temperatur i det ej smälta tillståndet kan vara bara aningen lägre än smälttemperaturen, sker en kondensation av ångan samtidigt som kondensationsvärmet överförs till det fasväxlande materialet. Överföringen av kondensationsvärmet medför antingen en allmän uppvärmning av materialet upp till smälttemperaturen eller, om denna redan uppnåtts, en fasväxling till det smältflytande tillståndet. llöi 546 - s Det kondensat som bildas av Värmetransportmedlets ånga droppar nedåt i kanalen 8 och kommer, återigen tack vare kanalens lutning, i kontakt med osmält fasväxlande material 2 på den undre invändiga ytan av kanalerna 8. Det återflytande konden- satet förångas ånyo på den konventionella delen av värmeöver- föringsanordningen varefter hela förloppet upprepar sig i kontinuerliga cykler.Due to the contact of the steam bubbles with the solid phase change the material 2, the temperature of which in the undigested state can be only slightly lower than the melting temperature, one occurs condensation of the steam at the same time as the condensation heat transferred to the phase-shifting material. The transfer of the heat of condensation causes either a general heating of the material up to the melting temperature or, if this already achieved, a phase shift to the molten state. llöi 546 - s The condensate formed by the steam transport agent's vapor drops down in channel 8 and comes, again thanks to the channel slope, in contact with undigested phase-changing material 2 on it lower inner surface of the channels 8. The refluxing condensate evaporates again on the conventional part of the heat transfer the guide device after which the whole process is repeated in continuous cycles.

Eftersom buren inte sticker upp över ytan av det fasväxlande materialet utspelar sig de nämnda cykliska förloppen endast inuti det fasväxlande materialet 2 och då med hög verknings- grad för värmeöverföringen.Because the cage does not protrude above the surface of the phase change the material takes place in the mentioned cyclical processes only inside the phase-shifting material 2 and then with high efficiency degree of heat transfer.

Ur försök som genomförts med Na2SO4 . 10 H20 såsom fasväxlande material och köldmedel har kunnat fastställas att när sträng- ledningarna 7 på buren (resp. den stympade konens sidolinje) lutar med 780 i förhållande till horisontalplanet och när den mängd som genomströmmar buren uppgår till 8% av det i latent- värmemagasinet inlagrade värmeavgivande mediet ernås en effektökning på 20% i värmeintaget till magasinet.From experiments performed with Na2SO4. 10 H 2 O as phase shifting materials and refrigerants it has been established that when the wires 7 on the cage (or the side line of the truncated cone) inclined by 780 in relation to the horizontal plane and when it amount flowing through the cage amounts to 8% of that in the latent the heat magazine stored heat dissipating medium is obtained power increase of 20% in the heat intake to the magazine.

En lika stor effektökning skulle kunna ernås med konventionella medel, dvs. genom att förstora den värmeöver- förande ytan på den konventionella värmeöverföringsanordning- en, men skulle då kräva ca. åtta gånger så mycket material. 'r .NAn equal increase in power could be achieved with conventional means, i.e. by enlarging the heat transfer the surface of the conventional heat transfer device one, but would then require approx. eight times as much material. 'r .N

Claims

461 546 9 PATENT REQUIREMENTS

Heat transfer device for dynamic latent heat magazines, which in a heat intake area work with boiling and condensing heat transport means which are in direct contact with a phase-changing material (2), comprising a heat transfer device intended for heat absorption arranged in the area of the heat-absorbing means, with a fusing line part arranged in the area of the phase-changing material and a heat transfer device intended for heat dissipation arranged in the area of a vapor-shaped heat transport means, characterized in that the melting lines form a cage in the form of a truncated cone, a plurality of string lines (7) under an inclination of from 50 ° to 85 ° relative to a horizontal plane at the top are connected to each other in an upper annular conduit (10) forming the upper surface of the truncated cone and at the bottom are connected to each other in a lower annular conduit (9) which forms the bottom surface of the truncated cone.

Heat transfer device according to claim 1, characterized in that the string lines (7) are tubular loops and that the upper annular conduit (10) is located inside the phase-changing material (2) above the lower annular conduit (9) in the heat intake area ( 1).

Heat transfer device according to claim 1, characterized in that the cage consisting of tubes in the form of a truncated cone consists of a tube coil, which is completely inside the phase-changing material (2).

4. heat transfer device according to claim 1, characterized in that the cage consisting of tubes in the form of a truncated cone has only a lower annular conduit (9) and that the jacket surface consists of a number of tubes closed at the top.